TW201336155A - 用於熱塗佈鋰離子電池之電極的設備及方法 - Google Patents

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Abstract

在此提供用於製造高電容量能量儲存元件的方法與設備。一個實施例中，提供用於製造能量儲存電極的沉積系統。該沉積系統包含：傳送機構，用於傳送基材；活性材料供應組件，用於沉積電活性粉末混合物至該基材上；以及熱源，用於乾燥該剛沉積的電活性粉末混合物。

Description

用於熱塗佈鋰離子電池之電極的設備及方法 【此申請案中的美國政府之權利】
此發明是依據DOE(美國能源部)授予的DE-AR0000063透過美國政府的支援所製做。美國政府擁有此發明中的某些權利。
本發明的實施例大體上關於高電容量能量儲存元件以及用於製造高電容量能量儲存元件的設備與方法。
諸如超級電容器與鋰離子(Li-ion)電池之快速充電、高電容量的能量儲存元件用於愈來愈多應用中，這些應用包括可攜式電子裝置、藥物、輸送、市電併聯型能量儲存裝置、可更新能量儲存裝置、與不斷電電源供應器(UPS)。
現代的、次級的、且可再充電的能量儲存元件一般包括陽極電極、陰極電極、定位在陽極電極與陰極電極之間的分隔件、以及至少一個集電器。電極的集電器部件大體上由金屬箔製成。用於正集電器(陰極)之材料的範例一般包括鋁(Al)、不鏽鋼(SST)、與鎳(Ni)。用於負集電器(陽極)的材料之範例大體上包括銅(Cu)，但也可使用不鏽鋼 (SST)與鎳(Ni)。
鋰離子電池的活性正陰極電極材料一般是選自種類繁多的鋰過渡金屬氧化物。範例包括具尖晶石結構的氧化物(LiMn2O4(LMO)、LiNi0.5Mn1.5O4(LMNO)等)、層狀結構(LiCoO2、鎳錳鈷(NMC)、鎳鈷鋁(NCA)等)、橄欖石結構(LiFePO4等)，以及前述材料之組合。預先形成的陰極電極材料一般是昂貴的。該等粒子可與導電粒子及黏結劑混合，所述導電粒子諸如奈米碳(碳黑等)與石墨。
活性負陽極電極材料大體上是以碳為基礎(以石墨或硬碳為基礎)，且具有大約5-15 μm的粒徑。目前正開發以矽(Si)與錫(Sn)為基礎的活性材料做為下一代的陽極材料。這兩者具有比以碳為基礎的材料顯著更高的電容量。Li15Si4具有約3,580 mAh/g的電容量，然而石墨具有低於372 mAh/g的電容量。以錫為基礎的陽極可達成超過900 mAh/g的電容量，此電容量遠高於下一代陰極材料所能達到電容量。因此，期望陰極將持續比陽極厚。
目前，活性材料只佔電池單元(battery cell)的整體成分不到50 wt%。製造含有更多活性材料的更厚電極的能力將會透過減少來自非活性元素的百分比貢獻而顯著減少電池單元的生產成本。但是，電極厚度目前被目前所用的材料的運用以及機械性質二者所限制。
一種用於製造能量儲存元件的方法主要是基於：將陰極活性或陽極活性的材料之黏性粉末漿料混合物狹縫塗佈至導電的集電器上，之後延長加熱以形成乾燥的鑄片(cast sheet)且防止破裂。乾燥(將溶劑蒸發)之後的電極厚度最後是由壓縮或軋光而決定，所述的壓縮或軋光調整最終層的密度與孔隙度。狹縫塗佈黏性漿料是已高度開發的製造技術，此技術極度仰賴漿料的調配、形成、與均質化。所形成的活性層對乾燥製程的速率與熱細節相當敏感。
此技術的其他問題與限制中，還有這樣的問題與限制：需要大的佔地面積(例如，長達50公尺)的緩慢且昂貴的乾燥部件。
因此，此技藝中需要更快速充電、更高電容量的能量儲存元件，且此元件更小、更輕、且能夠以高生產速率以節省成本的方式製造。
本發明的實施例大體上關於高電容量能量儲存元件以及用於製造高電容量能量儲存元件的方法。一個實施例中，提供一種用於製造能量儲存電極的沉積系統。該沉積系統包含：傳送機構，用於傳送基材；活性材料供應組件，具有多個分配組件，該等分配組件用於同時從電極形成混合物沉積複數種不同的電極形成材料於該基材上；以及熱源，用於在該電極形成混合物沉積至該基材上時，同時乾燥該電極形成混合物。
另一實施例中，提供一種電極結構。該電極結構包含集電器與複數個多功能電極層，該等多功能電極層相對於該集電器垂直定位，其中該等多功能電極層的每一者的一部分接觸該集電器。
尚有另一實施例，提供一種電極結構。該電極結構包含集電器與複數個多功能電極層，該等多功能電極層相對於該集電器水平定位。
100‧‧‧電池單元雙層
101‧‧‧負載
102a、102b‧‧‧陽極結構
103a、130b‧‧‧陰極結構
104a、140b‧‧‧分隔件結構
111、113‧‧‧集電器
115‧‧‧分隔件層
120‧‧‧電池單元
200‧‧‧電極結構
204-206‧‧‧區段
210‧‧‧集電器
230‧‧‧電極結構
236-238‧‧‧層
240‧‧‧集電器
305‧‧‧機構
310‧‧‧基材
312‧‧‧捲收卷軸
314‧‧‧饋送卷軸
320‧‧‧活性材料供應組件
320a-c‧‧‧活性材料供應組件
322a-f‧‧‧分配噴嘴
325‧‧‧電極形成溶液
330‧‧‧電活性材料
340‧‧‧第一熱源
350‧‧‧第二熱源
360‧‧‧電源
370‧‧‧控制器
400‧‧‧影像
300‧‧‧沉積系統
500-510‧‧‧圖表
藉由參考實施例(一些實施例繪示於附圖中)，可獲得於上文中簡要總結的本發明之更特定的說明，而能詳細瞭解上述的本發明之特徵。然而應注意附圖僅繪示此發明的典型實施例，因而不應將該等附圖視為限制本發明之範疇，因為本發明可容許其他等效實施例。
第1A圖是根據此述的實施例形成的具一或多個電極結構的部分電池單元雙層的示意圖；第1B圖是根據此述的實施例形成的具一或多個電極結構的部分電池單元的示意圖；第2A圖是根據此述的實施例形成的電極結構的一個實施例的示意圖；第2B圖是根據此述的實施例形成的電極結構的另一實施例的示意圖；第3圖是根據此述的實施例的沉積系統的一部分的一個實施例的示意剖面側視圖；第4圖是根據此述的實施例沉積的陰極材料的一個實施例的掃描式電子顯微鏡(SEM)影像的示意圖；以及第5A圖是一圖表，描繪厚度為100微米與200微米的陰極材料的模擬乾燥時間，該陰極材料是在塗佈表面上有低流速空氣存在下沉積；以及 第5B圖是一圖表，描繪厚度為100微米與200微米的陰極材料的模擬乾燥時間，該陰極材料是在塗佈表面上有高流速空氣存在下沉積。
為了助於瞭解，如可能則使用相同的元件符號標注共通於該等圖式的相同元件。應考量在一個實施例中所揭露的元件可有利地用於其他實施例上，而無需進一步記載。
本發明的實施例大體上關於高電容量能量儲存元件以及用於製造高電容量能量儲存元件的設備與方法。目前的電極塗佈器採取大尺寸的空間以供塗佈與塗佈後的乾燥製程所用，這是由於在規模放大乾燥速度時有所困難之故。因大型的乾燥部件所致，所以在製造工具中，塗佈器一般具有最長的佔地面積。在此描述的某些實施例提供一種具備同時沉積材料且在材料沉積時乾燥該材料之能力的沉積系統。同時塗佈及乾燥之能力容許顯著地比目前塗佈器及乾燥器更小的佔地面積。某些此述的實施例中，集電器(一般是銅或鋁)在集電器表面上方存在(或不存在)熱空氣流的情況下被加熱至某些溫度。某些實施例中，電極形成漿料可在沉積前預先加熱。某些實施例中，可在電極形成漿料中納入乾燥劑，以增加乾燥速率。
如在此所用，用語「垂直」界定為結構的主要表面與地平面呈直角。
如在此所用，用語「水平」界定為結構的主要表面與地平面呈平行
第1A圖是根據此述的實施例形成的具一或多個電極結構(陽極102a、102b及/或陰極103a、103b)的部分電池單元雙層100的示意圖。部分電池單元雙層100可以是鋰離子電池單元雙層。第1B圖是根據此述的實施例形成的具一或多個電極結構的部分電池單元120的示意圖。部分電池單元雙層120可以是鋰離子電池單元雙層。根據此述的一個實施例，該電池單元100、120電連接負載101。電池單元雙層100的主要功能部件包括陽極結構102a、102b、陰極結構103a、103b、分隔件層104a、104b及115、集電器111及113、與視情況任選的電解質(圖中未示)，該電解質配置在分隔件層104a、104b之間的區域內。電池單元120的主要功能部件包括陽極結構102b、陰極結構103b、分隔件115、集電器111與113，以及視情況任選的電解質(圖中未示)，該電解質配置在集電器111、113之間的區域內。可使用各種材料做為電解質，例如有機溶劑中的鋰鹽。電池單元100、120可以密閉式密封在適合的封裝中，該封裝具有集電器111與113所用的導線。
陽極結構102a、102b、陰極結構103a、103b、與分隔件層104a、104b及115可浸在電解質中，該電解質位在分隔件層104a與104b之間形成的區域中。應瞭解，圖中顯示部分的示範性結構，且在某些實施例中，可添加額外的陽極結構、陰極結構、與集電器至該結構。
陽極結構102b與陰極結構103b做為電池100的半單元100。陽極結構102b可包括金屬陽極集電器111與根據 此述實施例形成的活性材料。該陽極結構可以是多孔的。其他示範性活性材料包括石墨碳、鋰、錫、矽、鋁、銻、SnBxCoyO3、與LixCoyN。類似地，陰極結構103b可各別地包括陰極集電器113以及根據此述實施例形成的第二活性材料。集電器111與113是由諸如金屬之導電材料所製成。一個實施例中，陽極集電器111包含銅，且陰極集電器113包含鋁。分隔件115用於防止陽極結構102b與陰極結構103b中的部件之間直接電接觸。該分隔件115可以是多孔的。
電池單元110、120的陰極側(或正電極)上的活性材料可包含：含鋰的金屬氧化物，諸如二氧化鋰鈷(LiCoO2)或二氧化鋰錳(LiMnO2)、LiCoO2、LiNiO2、LiNixCoyO2、LiNixCoyAlzO2、LiMn2O4、LixMgyMnzO4、LiNixMnyO2、LiNixMnyCozO2、LiAlxMnyO4與LiFePO4。該活性材料可由層狀氧化物製成，諸如鋰鈷氧化物、橄欖石(諸如鋰鐵磷酸鹽)、或尖晶石(諸如鋰錳氧化物)。非鋰的實施例中，示範性陰極可以由TiS2(二硫化鈦)製成。示範性含鋰氧化物可以是層狀的(諸如鋰鈷氧化物(LiCoO2))或混合的金屬氧化物(諸如LiNixCo1-2xMnO2、LiNi0.5Mn1.5O4、Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2、LiMn2O4)。示範性的磷酸鹽可以是鐵橄欖石(LiFePO4)且為變化物(諸如LiFe1-xMgPO4)、LiMoPO4、LiCoPO4、LiNiPO4、Li3V2(PO4)3、LiVOPO4、LiMP2O7、或LiFe1.5P2O7。示範性的氟磷酸鹽可以是LiVPO4F、LiAlPO4F、Li5V(PO4)2F2、Li5Cr(PO4)2F2、Li2CoPO4F、或Li2NiPO4F。示範性矽酸鹽可以是Li2FeSiO4、 Li2MnSiO4或Li2VOSiO4。示範性非鋰化合物是Na5V2(PO4)2F3。
電池單元100、120的陽極側或負電極上的活性材料可由諸如石墨材料及/或各種細微粉末之材料製成，該細微粉末例如為微米級或奈米級尺寸的粉末。此外，矽、錫、或鋰鈦酸鹽(Li4Ti5O12)可與石墨材料一併使用(或取代石墨材料)，以提供導電核心陽極材料。示範性陰極材料、陽極材料、與應用方法進一步地描述於共同讓渡的美國專利申請案公開號US 2011/0129732(於2010年7月19日提出申請，名稱為「COMPRESSED POWDER 3D BATTERY ELECTRODE MANUFACTURING」)以及共同讓渡的美國申請案公開號US 2011/0168550(於2010年1月13日提出申請，名稱為「GRADED ELECTRODE TECHNOLOGIES FOR HIGH ENERGY LITHIUM-ION BATTERIES」，這兩份公開文件之全文在此以參考形式併入本文中。
也應瞭解，儘管第1A圖與第1B圖中描繪電池單元雙層100，此述的實施例不限於鋰離子電池單元雙層結構。也應瞭解，陽極與陰極結構可以串聯或並聯式連接。
電極形成
電極結構可由電極形成溶液所形成。該電極形成溶液可包含下列至少一者：電活性材料、黏結劑、導電材料與乾燥劑。
可使用此述實施例沉積的示範性電活性材料包括(但不以下述材料為限)選自一群組的陰極活性粒子，該群 組包含二氧化鋰鈷(LiCoO2)、二氧化鋰錳(LiMn2O4)、二硫化鈦(TiS2)、LiNixCo1-2xMnO2、LiMn2O4、鐵橄欖石(LiFePO4)且為變化物(諸如LiFe1 -xMgPO4)、LiMoPO4、LiCoPO4、Li3V2(PO4)3、LiVOPO4、LiMP2O7、LiFe1.5P2O7、LiVPO4F、LiAlPO4F、Li5V(PO4)2F2、Li5Cr(PO4)2F2、Li2CoPO4F、Li2NiPO4F、Na5V2(PO4)2F3、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4、Li2VOSiO4、其他合格的粉末、前述材料之複合物、與前述材料之組合。
可使用此述實施例沉積的其他示範性電活性材料包括(但不以下述材料為限)選自一群組的陽極活性粒子，該群組包含石墨、石墨烯硬碳、碳黑、碳塗佈的矽、錫粒子、銅錫粒子、錫氧化物、碳化矽、矽(非晶形或結晶)、矽合金、摻雜矽、鈦酸鋰、任何其他適合的電活性粉末、前述材料之複合物、與前述材料之組合。
示範性乾燥劑包括異丙醇、甲醇、與丙酮。
示範性黏結劑包括聚偏氟乙烯(polyvinylidene difluoride(PVDF))與水溶性黏結劑，諸如丁苯橡膠(styrene butadiene rubber(SBR))以及羧甲基纖維素鈉(sodium carboxymethyl cellulose(CMC))，但不以此為限。
示範性導電材料包括碳黑(CB)、與乙炔黑(AB)，但不以此為限。
電極形成溶液可具有約30 wt.%至約80 wt.%之間的固體含量。電極形成溶液可具有約40 wt.%至約70 wt.%之間的固體含量。電極形成溶液可具有約50 wt.%至約60 wt.%之 間的固體含量。
第2A圖是根據此述的實施例形成的電極結構200的一個實施例的示意圖。電極結構200可以是陰極結構或陽極結構。電極結構200可用做為電池單元100、120的陽極結構102a、102b及/或陰極結構103a、103b。
電極結構200包含複數個多功能電極層204、206、208，這些多功能電極層定位在集電器210上。集電器210可類似集電器111、113。如第2A圖中所繪，三個電極層204、206、208之每一者相對於集電器210垂直定位。三個電極層204、206、208之每一者的一部分可接觸集電器210，如第2A圖所示。電極層204、206、208可同時沉積在集電器210上。可使用活性材料供應組件320同時或依序沉積電極層204、206、208，該活性材料供應組件320包含多個分配噴嘴322a、322b、322c。活性材料分配噴嘴322a、322b、322c可平行定位橫越集電器210的寬度。縱使圖中只顯示三個層204、206、208，取決於電極結構200的期望性質，可使用任何數目的電極層。
該多功能電極層204、206、208的每一者可與至少一個其他多功能層存在差異，該差異在於下述特性中的至少一個：材料、組成/組份比、粒徑、導電度、孔隙度、及能量/功率等級。例如，若每一多功能電極層204、206、208相對於至少一個其他多功能電極層具有不同的孔隙度，則電極結構200具有垂直的孔隙度梯度。某些實施例中，該孔隙度可在電極層204中最高，而經由層206與208減少。該孔隙度 可在電極層204中最低且經由層206與208增加。
可透過粉末施加技術施加多功能電極層204、206、208，該等粉末施加技術包括(但不限於下述技術)篩技術、靜電噴塗技術、熱或火焰噴塗技術、流體化床塗佈技術、狹縫塗佈技術、卷軸塗佈技術、奈米印刷、擠壓成形、三維印刷「3DP」(例如，控制液滴式噴墨印刷)以及前述技術之組合，所有這些技術是發明所屬技術領域中具有通常知識者所知的。
第2B圖是根據此述的實施例形成的電極結構230的另一實施例的示意圖。電極結構230可以是陰極結構或陽極結構。電極結構230可用做為電池單元100、120的陽極結構102a、102b及/或陰極結構103a、103b。
類似電極結構200，電極結構230包含複數個多功能電極層或區段234、236、238，這些多功能電極層或區段定位在集電器240上。集電器240可類似集電器111、113。如第2B圖中所繪，三個電極層234、236、238之每一者相對於集電器240水平定位。電極層234是唯一接觸集電器240的電極層。可同時沉積電極層234、236、238。可使用活性材料供應組件320同時或依序沉積電極層234、236、238，該活性材料供應組件320包含多個分配噴嘴322d、322e、322f。活性材料分配噴嘴322d、322e、322f可平行定位。縱使圖中只顯示三個層234、236、238，取決於電極結構200的期望性質，可使用任何數目的電極層。
如與第2A圖中所繪的電極結構230相關討論，該 多功能電極層234、236、238的每一者可與至少一個其他多功能層存在差異，該差異在於下述特性中的至少一個：材料、組成/組份比、粒徑、導電度、孔隙度、及能量/功率等級。例如，若每一多功能電極層234、236、238相對於至少一個其他多功能電極層具有不同的孔隙度，則電極結構230具有水平的孔隙度梯度。該孔隙度可在電極層234中最高，而經由層236與238減少。該孔隙度可在電極層234中最低且經由層236與238增加。
可透過多種技術施加多功能電極層234、236、238，該等技術包括(但不限於下述技術)篩技術、靜電噴塗技術、熱或火焰噴塗技術、流體化床塗佈技術、狹縫塗佈技術、卷軸塗佈技術、噴墨印刷、三維印刷以及前述技術之組合，所有這些技術是發明所屬技術領域中具有通常知識者所知的。
第3圖是根據此述的實施例的沉積系統300的一部分的一個實施例的示意剖面側視圖。沉積系統300可包含傳送機構305、活性材料供應組件320、視情況任選的第一熱源340、視情況任選的第二熱源350，該傳送機構305用於傳送基材310，該活性材料供應組件320用於供應電極形成溶液325並且將電活性材料330沉積至基材310上，該第一熱源340定位在基材310下方以乾燥剛沉積的電活性材料330，而該第二熱源350定位在基材310上方以乾燥剛沉積的電活性材料330。該電極形成溶液325可在沉積前被加熱。
該視情況任選的第一熱源340與該視情況任選的第二熱源350可個別設置成執行乾燥製程，諸如空氣乾燥製程、 紅外線乾燥製程、或電磁乾燥製程。第二熱源350可定位成吹送加熱空氣或惰氣至基材310上。第二熱源350可定位成在沉積電活性材料310至基材310之前、期間及/或之後吹送空氣或惰氣至基材310上。該空氣或惰氣可被加熱。
傳送機構305可包含任何能夠移動基材310通過沉積系統300的處理區域的傳送機構。該傳送機構305可包含常用的輸送構造。常用的輸送構造可包含卷對卷式(roll-to-roll)系統，具有用於該系統的常用捲收卷軸(take-up roll)312與饋送卷軸314。捲收卷軸312與饋送卷軸314可被個別地加熱。可透過使用內部熱源或外部熱源個別加熱捲收卷軸312與饋送卷軸314，該內部熱源定位在各卷軸內。常用的輸送構造可進一步包含定位在捲收卷軸312與饋送卷軸314之間的一或多個中間傳送滾輪(roller)。儘管沉積系統300被描繪成具有單一處理區域，但是在某些實施例中，該系統可有利地具有各別的或分立的處理區域或腔室以供每一製程步驟所用。對於具有分立的處理區域或腔室的實施例而言，常用的輸送構造可為下述的卷對卷系統：每一腔室或處理區域具有個別的捲收卷軸與饋送卷軸以及定位在該捲收卷軸與該饋送卷軸之間的一或多個視情況任選的中間傳送滾輪。常用的輸送構造可包含軌道系統，該軌道系統延伸通過處理區域或分立的多個處理區域，且設置成輸送卷條(web)基材或分立的基材。
在其中捲收卷軸312與饋送卷軸314之至少一者被加熱的某些實施例中，活性材料供應組件320可定位在被加 熱的卷軸上方，使得電活性材料330在沉積至基材310上時同時被加熱。
基材310可以是導電基材。基材310可以是導電的集電器。集電器可類似集電器111與113。該基材310可以是撓性導電基材，例如金屬箔或金屬片。基材310可包括相對薄的導電層，該導電層配置在主基材(host substrate)上，該導電層包含一或多種導電材料，諸如金屬、塑膠、石墨、聚合物、含碳聚合物、複合物、或其他適合的材料。構成導電基材310的金屬之範例可包括鋁(Al)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、錫(Sn)、釕(Ru)、不鏽鋼、前述金屬之合金、與前述金屬之組合。
或者，基材310可包含具有導電層形成在上面的非導電性主基材(諸如玻璃、矽、與塑膠或聚合基材)，所述導電層是透過此技藝中已知的方式形成，包括物理氣相沉積(PVD)、電化學電鍍、無電電鍍、與類似方式。基材可以是分隔件。該分隔件可類似分隔件115。一個實施例中，基材310由撓性主基材形成。撓性主基材可以是質輕且不昂貴的塑膠材料，諸如聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二酯(例如Mylar)、或其他適合的塑膠或聚合材料。導電層可形成為覆於該非導電的撓性主基材上。或者，該撓性基材可由相對薄的玻璃所建構，該玻璃以聚合塗層強化。某些實施例中，該非導電撓性基材可從電極結構移除。
基材310可具有大體上範圍從約1至約200 μm的厚度。導電基材310可具有大體上範圍從約5至約100 μm的厚 度。導電基材310可具有大體上範圍從約10 μm至約20 μm的厚度。
基材310可經圖案化而形成三維結構。圖案化基材310可增加電活性材料330對基材310之表面的黏著。在沉積粉末至基材310之表面上之前，可使用黏結劑沉積源圖案化或紋理化基材310。可考慮協同前述製程進行建構電極之前用於製備基材表面的其他方法，諸如以電磁能量源紋理化基材310、奈米印壓微影製程、或浮雕製程。
沉積電活性材料330之前，可加熱基材310。可使用額外熱源將電活性材料330加熱到恰好低於分散劑或溶劑沸騰溫度的溫度，以促使黏結劑分散在粉末床中且增加黏結劑沉積後分散劑或溶劑的乾燥速率。
活性材料供應組件320可包含任何能夠將電活性材料330沉積至基材310上的機構。活性材料組件320可包含複數個分配噴嘴。雖然第2A圖中顯示三個分配噴嘴322a-c且第2B圖中顯示三個分配噴嘴322d-f，但可納入任何數目的分配噴嘴。為了達成期望的集電器或基材的覆蓋率，活性材料組件320的每一分配噴嘴322a-f可獨立地平移及/或該集電器或基材可相對活性材料組件320平移。示範性活性材料供應組件包括(但不限於下述裝置)篩、靜電噴塗器、熱或火焰噴塗器、流體化床塗佈器、狹縫塗佈器、卷軸塗佈器、噴墨印刷機、三維印刷機、與前述裝置之組合，所有這些裝置都是發明所屬技術領域中具有通常知識者已知的。可使用乾式施加技術或溼式施加技術施加電活性材料330。該材料可透 過粉末施加技術施加，該等粉末施加技術包括(但不限於下述技術)篩技術、靜電噴塗技術、熱或火焰噴塗技術、流體化床塗佈技術、狹縫塗佈技術、卷軸塗佈技術、3DP技術、與前述技術之組合，所有這些技術都是發明所屬技術領域中具有通常知識者已知的。
某些實施例中(其中使用熱或火焰噴塗技術)，「進料」(塗佈前驅物)是透過電方式(例如電漿或電弧)或化學方式(例如燃燒火焰)所加熱。電活性材料330是以粉末形式饋送，被加熱至熔融或半熔融態，並且以微米尺寸粒子之形式朝基材310加速。燃燒或電弧放電經常用作熱噴塗的能量源。
如前文所討論，電活性材料330可包括單一成份(諸如電活性材料)或多個成份(諸如電活性材料、導電材料、乾燥劑、與黏結劑)的混合物。可以固體形式沉積電活性材料330，或將電活性材料330沉積為液體懸浮液，在該液體懸浮液中，分散劑快速地蒸發，而留下混合良好且均勻分散的粉末。
電活性粉末330可為奈米級粒子的形式。奈米級粒子可具有約1 nm至約100 nm之間的直徑。粉末的粒子可以是微米級粒子。電活性材料330的粒子包括聚集的微米級粒子。該等微米級粒子可具有約2 μm至約15 μm的直徑。電活性材料330可在沉積於基材310上之前被含碳材料所塗佈。
施加電活性粉末330前，該電活性粉末330可與搭載介質結合。一個實施例中，搭載介質可以是在進入處理腔 室前先經原子化的液體。搭載介質也可被選以在電化學奈米粒子周圍成核，以減少對處理腔室壁的附著。適合的液體搭載介質包括水與有機液體，有機液體諸如醇類與碳氫化合物。醇類或碳氫化合物將大體上具有低黏度，諸如在操作溫度下為約10 cP或更低，以負擔合理的原子化。其他實施例中，搭載介質也可以是氣體，諸如氦氣、氬氣、氮氣、或在其他實施例中為氣溶膠。某些實施例中，可期望使用具有更高黏度的搭載介質，以在粉末上形成更厚的覆蓋。
前驅物或固體黏結劑(一般是聚合物)可用以助於將粉末黏結基材310。固體黏結劑可在沉積於基材310之前與電活性材料330混合。固體黏結劑可於沉積電活性粉末之前或之後沉積在基材上310。固體黏結劑可包含撓性物質(諸如聚合物)，以將粉末固定於基材表面上。黏結劑將大體上具有一些導電性或離子傳導性，以避免減少沉積層的性能，然而多數黏結劑通常是電絕緣，且一些材料不容許鋰離子通過。一個實施例中，黏結劑是具有低分子量的含碳聚合物。該低分子量聚合物可具有低於約10000的數目平均分子量，以促進奈米粒子黏著至基材。示範性的黏結劑包括聚偏氟乙烯(PVDF)與水溶性黏結劑(諸如丁苯橡膠(BSR))，但不以此為限。
沉積系統300可耦接電源360，以將功率供應至沉積系統300的各部件。電源360可以是RF源或DC源。電源360可耦接控制器370。控制器370可耦接沉積系統300，以控制活性粉末供應組件320的操作。控制器370可包括一或 多個微處理器、微電腦、微控制器、專用硬體或邏輯元件、以及前述部件的組合。
沉積系統300可耦接流體供應源365，以用於供應前驅物、處理氣體、處理材料與清潔流體至沉積系統300的部件，所述處理材料諸如陰極活性粒子、陽極活性粒子、黏結劑、導電材料、推進劑。
範例：
下述的假設、非限制性範例是為了進一步說明此述的實施例。然而，申請人不希望該等範例包括一切，且不希望該等範例限制此述的實施例之範疇。
具有78 wt.%的固體含量且包含3 wt.%的SBR、6 wt.%的碳黑(CB)、與91 wt.%的鎳錳鈷之漿料組成物用於下述範例。鋁箔試片被捆在用於支撐的平坦晶圓表面上。具有試片定位在上面的晶圓定位在熱板上。
範例1：
晶圓與鋁箔試片被加熱至攝氏80度且維持在攝氏80度。使用多層熱刮刀片製程塗佈該漿料組成物。將具有300微米溼厚度的塗層以每溼層50微米的方式塗佈覆於鋁試片上。所得的乾燥塗層具有232微米的厚度以及53%的平均孔隙度，而具有大約6 mAh/cm2電池負載電容量。
範例2：
晶圓與鋁箔試片被加熱至攝氏120度且維持在攝氏120度。使用單層熱刮刀片製程塗佈該漿料組成物。透過使用單程刮刀片製程將具有400微米溼厚度的塗層塗佈覆於鋁試 片上。所得的乾燥塗層具有165微米的厚度以及22%的平均孔隙度，而具有大約6.5 mAh/cm2電池負載電容量。
範例3：
晶圓與鋁箔試片被加熱至攝氏120度且維持在攝氏120度。使用單層熱刮刀片製程塗佈該漿料組成物。透過使用單程刮刀片製程將具有600微米溼厚度的塗層塗佈覆於鋁試片上。所得的乾燥塗層具有299微米的厚度以及36%的平均孔隙度，而具有大約10 mAh/cm2電池負載電容量。
範例4：
晶圓與鋁箔試片被加熱至攝氏120度且維持在攝氏120度。使用單層熱刮刀片製程塗佈該漿料組成物。透過使用單程刮刀片製程將具有600微米溼厚度的塗層塗佈覆於鋁試片上。所得的乾燥塗層具有347微米的厚度以及43%的平均孔隙度，而具有大約10.5 mAh/cm2電池負載電容量。
結果：
第4圖是根據上述範例3沉積的陰極材料的一個實施例的200x放大率的掃描式電子顯微鏡(SEM)影像400的示意圖。一般而言，完成乾燥相當厚度的電極需要約18個小時。對於第4圖中所示、根據此述實施例沉積的陰極材料而言，15分鐘後可見到表面乾燥。觀察到第4圖中所示的陰極材料之表面無刮痕。
第5A圖是圖表500，描繪厚度為100微米與200微米的陰極材料的模擬乾燥時間，該陰極材料是在塗佈表面上有低流速空氣存在下沉積。第5B圖是圖表510，描繪厚度為 100微米與200微米的陰極材料的模擬乾燥時間，該陰極材料是在塗佈表面上有高流速空氣存在下沉積。當空氣流動增加，乾燥時間減少。
雖然前述內容涉及本發明之實施例，可不背離本發明之基本範疇而設計其他與進一步的本發明之實施例，且本發明之範疇由隨後的申請專利範圍所決定。
300‧‧‧沉積系統
305‧‧‧機構
310‧‧‧基材
312‧‧‧捲收卷軸
314‧‧‧饋送卷軸
320‧‧‧活性材料供應組件
320a-c‧‧‧活性材料供應組件
322a-f‧‧‧分配噴嘴
325‧‧‧電極形成溶液
330‧‧‧電活性材料
340‧‧‧第一熱源
350‧‧‧第二熱源
360‧‧‧電源
370‧‧‧控制器

Claims (20)

  1. 一種用於製造能量儲存電極的沉積系統，包含：一傳送機構，用於傳送一基材；一活性材料供應組件，具有多個分配組件，該等分配組件用於同時從一電極形成混合物沉積複數種不同的電極形成材料於該基材上；以及一熱源，用於在該電極形成混合物沉積至該基材上時，同時乾燥該電極形成混合物。
  2. 如請求項1所述之沉積系統，其中該熱源定位在該傳送機構下方。
  3. 如請求項2所述之沉積系統，進一步包含：一第二熱源，定位在該傳送機構上方。
  4. 如請求項1所述之沉積系統，其中該熱源定位在該傳送機構上方，以將被加熱的空氣流過該集電器的一表面上。
  5. 如請求項4所述之沉積系統，其中該熱源被設置成執行一空氣乾燥製程、一紅外線乾燥製程、或一電磁乾燥製程。
  6. 如請求項1所述之沉積系統，其中該傳送機構包含一卷對卷系統，該卷對卷系統具有一常用的捲取卷軸與饋送卷 軸。
  7. 如請求項6所述之沉積系統，其中透過使用一內部熱源個別地加熱該捲取卷軸與該饋送卷軸之每一者，該內部熱源定位在每一卷軸內。
  8. 如請求項1所述之沉積系統，其中該活性材料供應組件選自：篩、靜電噴塗器、熱或火焰噴塗器、流體化床塗佈器、狹縫塗佈器、卷軸塗佈器、噴墨印刷機、三維印刷機、與前述裝置之組合。
  9. 如請求項8所述之沉積系統，其中該電極形成混合物包含一電活性材料、一黏結劑、導電材料、一乾燥劑、或前述材料之組合。
  10. 如請求項9所述之沉積系統，其中該電活性材料包含陰極活性粒子，該等陰極活性粒子選自一群組，該群組包含：二氧化鋰鈷(LiCoO2)、二氧化鋰錳(LiMn2O4)、二硫化鈦(TiS2)、LiNixCo1-2xMnO2、LiMn2O4、鐵橄欖石(LiFePO4)、LiFe1-xMgPO4、LiMoPO4、LiCoPO4、Li3V2(PO4)3、LiVOPO4、LiMP2O7、LiFe1.5P2O7、LiVPO4F、LiAlPO4F、Li5V(PO4)2F2、Li5Cr(PO4)2F2、Li2CoPO4F、Li2NiPO4F、Na5V2(PO4)2F3、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4、Li2VOSiO4、前述材料之複合物、與前述材料之組合。
  11. 如請求項9所述之沉積系統，其中該電活性材料包含陽極活性粒子，該等陽極活性粒子選自一群組，該群組包含：石墨、石墨烯硬碳、碳黑、碳塗佈的矽、錫粒子、銅錫粒子、錫氧化物、碳化矽、矽(非晶形或結晶)、矽合金、摻雜矽、鈦酸鋰、前述材料之複合物、與前述材料之組合。
  12. 如請求項1所述之沉積系統，其中該電極形成混合物在沉積至該基材上之前被加熱。
  13. 一種電極結構，包含：一集電器，以及複數個多功能電極層，該等多功能電極層相對於該集電器垂直定位，其中該等多功能電極層的每一者的一部分接觸該集電器。
  14. 如請求項13所述之電極結構，其中該複數個多功能電極層的每一多功能電極層包含陰極活性粒子，該等陰極活性粒子選自一群組，該群組包含：二氧化鋰鈷(LiCoO2)、二氧化鋰錳(LiMn2O4)、二硫化鈦(TiS2)、LiNixCo1-2xMnO2、LiMn2O4、鐵橄欖石(LiFePO4)、LiFe1-xMgPO4、LiMoPO4、LiCoPO4、Li3V2(PO4)3、LiVOPO4、LiMP2O7、LiFe1.5P2O7、LiVPO4F、LiAlPO4F、Li5V(PO4)2F2、Li5Cr(PO4)2F2、Li2CoPO4F、Li2NiPO4F、 Na5V2(PO4)2F3、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4、Li2VOSiO4、前述材料之複合物、與前述材料之組合。
  15. 如請求項13所述之電極結構，其中該集電器是鋁箔。
  16. 如請求項13所述之電極結構，其中該等多功能電極層的每一者與其他多功能層之至少一者存在差異，該差異在於下述特性之至少一者：材料、組成/組份比、粒徑、導電度、孔隙度、能量/功率等級、及前述特性之組合。
  17. 一種電極結構，包含：一集電器；以及複數個多功能電極層，該等多功能電極層相對於該集電器水平定位。
  18. 如請求項17所述之電極結構，其中該複數個多功能電極層的每一多功能電極層包含陰極活性粒子，該等陰極活性粒子選自一群組，該群組包含：二氧化鋰鈷(LiCoO2)、二氧化鋰錳(LiMn2O4)、二硫化鈦(TiS2)、LiNixCo1-2xMnO2、LiMn2O4、鐵橄欖石(LiFePO4)、LiFe1-xMgPO4、LiMoPO4、LiCoPO4、Li3V2(PO4)3、LiVOPO4、LiMP2O7、LiFe1.5P2O7、LiVPO4F、LiAlPO4F、Li5V(PO4)2F2、Li5Cr(PO4)2F2、Li2CoPO4F、Li2NiPO4F、Na5V2(PO4)2F3、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4、Li2VOSiO4、前述 材料之複合物、與前述材料之組合。
  19. 如請求項18所述之電極結構，其中該集電器是鋁箔。
  20. 如請求項17所述之電極結構，其中該等多功能電極層的每一者與其他多功能層之至少一者存在差異，該差異在於下述特性之至少一者：材料、組成/組份比、粒徑、導電度、孔隙度、能量/功率等級、及前述特性之組合。
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